(57)【要約】  光学撮像システム（例えば、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法システム）の照明サブシステムにおいて使用する渦光ファイバーが、コア領域と、コア領域を包囲するトレンチ領域と、トレンチ領域を包囲するリング領域と、クラッディング領域とを含む領域の組を有する光学的に透過性の伸長媒体を含み、領域の組は、対応する可視波長において、安定したガウシアンモードと、軌道角運動量（ＯＡＭ）搬送モードとを同時に導光するように、可視スペクトル範囲において１×１０−４より大きいＬＰ１１モード群内のベクトルモードのためのΔｎｅｆｆを与えるドーピングプロファイルを有する。【選択図】図１
2019519005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学撮像システムの照明サブシステムにおいて使用する渦光ファイバーであって、該渦光ファイバーは、コア領域と、該コア領域を包囲するトレンチ領域と、該トレンチ領域を包囲するリング領域と、クラッディング領域とを含む領域の組を有する光学的に透過性の伸長媒体を備え、該領域の組は、対応する可視波長において、安定したガウシアンモードと、軌道角運動量（ＯＡＭ）搬送モードとを同時に導波するように、可視スペクトル範囲において１×１０−４より大きいＬＰ１１モード群内のベクトルモードのためのΔｎｅｆｆを与えるドーピングプロファイルを有する、渦光ファイバー。
【請求項２】
前記照明サブシステムによって照明されるサンプルからの後方伝搬光信号を効率的に収集するために二重クラッド又は三重クラッド構造のいずれかである、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項３】
前記後方伝搬光信号は蛍光信号であり、前記二重クラッド又は前記三重クラッド構造は、前記蛍光信号の収集のために調整される、請求項２に記載の渦光ファイバー。
【請求項４】
前記クラッディング領域は、前記クラッディング領域のドーパント及び材料からの蛍光による第１の信号と、前記サンプルの蛍光による第２の信号との間のスペクトル分離を保持する組成を有し、それにより、自己蛍光を制限する、請求項３に記載の渦光ファイバー。
【請求項５】
（ｉ）後方伝搬蛍光を導光するために低ｎポリマーを備える三重クラッド、（ｉｉ）後方伝搬蛍光を導光するためにエアクラッドを備える三重クラッド、（ｉｉｉ）後方伝搬蛍光を導光するために低ｎガラスを備える三重クラッドのうちの１つである、請求項３に記載の渦光ファイバー。
【請求項６】
クラッディング屈折率は、０．４より大きいクラッディング導波路の開口数を確立するのに有効である、請求項２に記載の渦光ファイバー。
【請求項７】
前記ドーピングプロファイルは、動作波長から２００ｎｍより大きい渦モードカットオフを与える、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項８】
ガウシアンビームと一体となる重複が８０％より大きいような形状を有するＬＰ０１モードを与えるように構成される、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項９】
より高次のモードが、前記動作波長の５０ｎｍ以内のそれぞれのカットオフを有する、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項１０】
前記より高次のモードはＨＥ１１及びＨＥ２１を含む、請求項７に記載の渦光ファイバー。
【請求項１１】
前記トレンチ領域は内側トレンチ領域であり、前記渦モードのための曲げ損失を低減するのに有効な外側トレンチ領域を更に含む、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項１２】
必要とされるモード励起を与えるために、１００μｍ〜８００μｍの格子周期を有する刻み込まれた光学格子を含む、請求項１に記載の渦光ファイバー。
【請求項１３】
光学撮像システムにおいて使用し、請求項１の渦光ファイバーを利用する照明サブシステムであって、紫外線（ＵＶ）若しくはマイクロベンド誘発によるモード励起を与える１つ以上のモード励起構成要素、又は音響光学的生成ファイバー格子、ｑプレート、空間光変調器、メタ表面、及びスピンを光の軌道角運動量に変換することができる他の自由空間光学構成要素を含む、照明サブシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載の渦光ファイバーを利用する共焦点誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法システムであって、励起光信号及び抑制光信号のそれぞれの光源と、前記渦光ファイバーへの入力の前に、前記励起光信号及び前記抑制光信号を合成するように構成され、動作する波長分割マルチプレクサー及び結合器とを備える、共焦点誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は顕微鏡法システム及び他の光学撮像システムに関し、より詳細には、異なる照明光信号を送達するために多モード光ファイバーが使用される「オールファイバー（all fiber）」光学撮像システムに関する。１つの適用例が、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ：stimulated emission depletion）顕微鏡法を含み、その照明光信号は、個別の励起ビーム及び抑制ビームを含む。
【発明の概要】
【０００２】
包括的には、本開示は、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法システム等の光学撮像システムの照明サブシステムにおいて使用する渦光ファイバー（vortex optical fiber）に関する。渦光ファイバーは、コア領域と、コア領域を包囲するトレンチ領域と、トレンチ領域を包囲するリング領域と、クラッディング領域とを含む領域の組を有する、光学的に透過性の伸長媒体を含む。領域の組は、対応する可視波長において、安定したガウシアンモードと、軌道角運動量（ＯＡＭ：orbital angular momentum）搬送モードとを同時に導光するように、可視スペクトル範囲内の１×１０−４より高いＬＰ１１モード群内のベクトルモードのためのΔｎｅｆｆを与えるドーピングプロファイルを有する。
【０００３】
別の態様において、本開示は光ファイバーに関し、その光ファイバーにおいて、ＳＴＥＤ顕微鏡法等の適用例のために必要な光ビームを実現することができる。一実施形態において、光ファイバーは、コアと、トレンチと、リングと、クラッディングとを備える。コア及びリングは、クラッディング、並びにコア及びリングを分離するトレンチより高い屈折率を有し、トレンチは、コア及びリングより低い屈折率を有し、好ましくはクラッディングよりも低い屈折率を有する。コアは、ＳＴＥＤ顕微鏡法のために必要なガウシアン形励起ビームになるように第１の光の基本モードＬＰ０１を導光することができる。ファイバーが、ファイバーによって導光されるＬＰ１１モードのモード強度プロファイルのピーク振幅値に非常に近い、リングに対応する屈折率ステップを有することができるように、光ファイバーの屈折率プロファイルを設計することができる。
【０００４】
より高次のＬＰ１１モードは、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１固有モード及び混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）固有モードを含む、固有モードの線形結合を含む。リングの屈折率ステップは、他の固有モードへの結合を最小限に抑えながら少なくとも１つの円筒偏光固有モードに結合できるようにするために、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１固有モードのうちの少なくとも一方が、他の固有モードのそれぞれの実効屈折率から十分に分離される実効屈折率ｎｅｆｆを有するように、十分に急峻であることが好ましい。同様に、リングの屈折率ステップは、他の固有モードへの結合を最小限に抑えながら混合モードに結合できるようにするために、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）固有モードが、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１固有モードのそれぞれの実効屈折率から十分に分離される実効屈折率ｎｅｆｆを有するように、十分に急峻であることが好ましい。一実施形態において、本開示の光ファイバーは、可視波長範囲内、すなわち、４００ｎｍ〜７００ｎｍ内で、ＬＰ１１モードにおいて、少なくとも１×１０−４の実効屈折率分離Δｎｅｆｆを有するように設計される。さらに、理想的なガウシアンビームとのモード場重複は、好ましくは８０％より大きく、より好ましくは９０％より大きく、更に好ましくは９５％より大きい。さらに、本ファイバーは、１０００ｎｍ未満、より好ましくは９５０ｎｍ未満、より好ましくは９３０ｎｍ以下のＬＰ１１モードのためのカットオフ波長を有するように設計される。また、そのファイバーは、ＬＰ１１モードのためのカットオフ波長が、抑制ビーム（すなわち、第２の光）の波長から２００ｎｍを超える長さだけ分離されるように設計されることが好ましい。さらに、ＥＨ１１及びＨＥ３１等の次に高い次数のモードのためのカットオフ波長は、抑制ビーム（すなわち、第２の光）の波長から５０ｎｍ未満だけ分離されることが好ましい。
【０００５】
ＬＰ１１モードが分離されるとき、それらのモードは、いわゆる、軌道角運動量（ＯＡＭ）モードになるように、軌道角運動量を搬送することができる。十分な偏光制御下において、ＯＡＭモードは、高い開口数の合焦下でドーナツの形状を有することができ、それにより、ＳＴＥＤ顕微鏡法において抑制ビームとして使用するのに適している。屈折率プロファイルを位相に関して注意深く処理することによって、ステップ屈折率コア及びステップ屈折率リングを備える光ファイバーは、ＳＴＥＤ顕微鏡法のために必要な励起ビーム及び抑制ビームの両方を搬送することができる。屈折率プロファイルを位相に関して更に注意深く処理することによって、これを、大部分の市販のＳＴＥＤ染料が励起される可視スペクトル範囲（約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）にわたって与えることができるのを確実にすることができる。それゆえ、具体的な染料及び具体的なＳＴＥＤ適用例が、励起ビーム及びＳＴＥＤ抑制ビームの波長を、それゆえ、使用される光導波路に関する光学的制約を決定する。大部分の染料は可視スペクトル範囲内にあるので、ＳＴＥＤ顕微鏡法のための光ファイバーは、可視スペクトル範囲内の光を効率的に導光できなければならない。
【０００６】
本開示の渦ファイバーで実現されるドーナツ形抑制ビームは、７７６ｎｍにおいて−２０ｄＢ未満と測定されるような、ドーナツの中心における強度とピーク強度との間の消光比を与えられることが実験からわかっており、それは、実際のＳＴＥＤ適用例の場合の−１３ｄＢの望ましい値に勝るとも劣らない。それゆえ、本開示のファイバーは、可視波長における光学モードの安定性を提供し、可視領域において動作する安定したＳＴＥＤ顕微鏡法システムを提供する。また、本開示のファイバーは、リング領域において渦ファイバーモードを搬送するのに適しているので、渦ファイバーと呼ばれる。
【０００７】
別の実施形態において、本開示の光ファイバーは、中央コアを包囲する二重クラッド構造（design）を与えられ、リング領域が、例えば、照明されたサンプルから信号を収集し、伝搬させるための多モード導波路を作り出すことができる。二重クラッディング構造は、例えば、ガラスクラッディングを包囲する低屈折率一次コーティングによって与えることができる。高電力レーザー源を導光するための二重クラッドファイバーから、低屈折率ポリマーコーティングが既知である。クラッディング領域内に高ＮＡ多モード導波路を作り出すために、例えば、クラッディング領域を包囲する低屈折率一次コーティングの形をとる、二重クラッディング構造を利用することができる。この場合、コア領域及びリング領域において導光されるＳＴＥＤビームによって照明されるサンプル内に生成されるＳＴＥＤ蛍光信号を収集するために、その構造を利用することができる。ＳＴＥＤ蛍光信号は、結果として、多モードクラッディングを通って戻るように導光することができる。また、低屈折率クラッディングは、本明細書の図においても例示されるような空孔を含むエアクラッディング（air-cladding）によって与えることもできる。
【０００８】
本開示は、サンプルを照明する方法に更に関連し、本開示の光ファイバーを設けるステップと、光ファイバーのコア領域を通して基本ＬＰ０１モードにおいて第１のビームを与えるステップと、光ファイバーのリング領域を通して導光される１つ以上の軌道角運動量（ＯＡＭ）モードとして第２のビームを与えるステップと、ビームをサンプル上に合焦させ、ドーナツ形抑制ビームによって包囲されるガウシアン形励起ビームを与えるステップとを含む。これは、ＳＴＥＤ手順における照明のために使用することができ、すなわち、サンプルからＳＴＥＤ蛍光信号を生成するために、ビームをサンプル上に合焦させる。
【０００９】
さらに、本開示は、ＳＴＥＤ顕微鏡法を実行する方法にも関連し、本開示の光ファイバーを設けるステップと、光ファイバーのコア領域を通して基本ＬＰ０１モードにおいて励起ビームを与えるステップと、光ファイバーのリング領域を通して導光される１つ以上の軌道角運動量（ＯＡＭ）モードとして抑制ビームを与えるステップと、サンプルからＳＴＥＤ蛍光信号を生成するために、ビームをサンプル上に合焦させ、ドーナツ形抑制ビームによって包囲されるガウシアン形励起ビームを与えるステップと、ＳＴＥＤ蛍光信号を収集するステップとを含む。ＳＴＥＤ蛍光信号は、標準的なバルク光学系によって収集することができる。しかしながら、上記で説明されたように、クラッディング領域が高い開口数を有する多モード導波路になり、それにより、光ファイバーを通してＳＴＥＤ蛍光を収集することができ、そして同じ光ファイバーを通してＳＴＥＤ蛍光を戻すように導光できるように、低屈折率コーティングを設けることができる。
【００１０】
別の態様において、本開示はＳＴＥＤ顕微鏡法システムに関し、上記で説明されたような光ファイバーと、光ファイバーのコア領域内に基本ＬＰ０１モードにおいて励起光を発射する第１の光源と、光ファイバーのコア領域内に基本ＬＰ０１モードにおいて抑制光を発射する第２の光源と、抑制光の基本ＬＰ０１モードを、より高次のＬＰ１１モードに変換し、それにより、光ファイバーのリング領域を通って伝搬する１つ以上の軌道角運動量（ＯＡＭ）モードとして形成される抑制ビームを生成するように構成されるモード変換器と、サンプルからＳＴＥＤ蛍光信号を生成するために、励起光及び抑制ビームをサンプル上に合焦させ、ドーナツ形抑制ビームによって包囲されるガウシアン形励起ビームを与えるように構成される合焦光学系と、サンプルからのＳＴＥＤ蛍光信号を検出する検出器とを備える。
【００１１】
本開示の光ファイバーを使用すると、それに基づくＳＴＥＤ顕微鏡法システムをコンパクトにし、耐久性を高めることができる。ＳＴＥＤビームを導光するために、そしてＳＴＥＤ信号を収集するために同じ光ファイバーを使用できるので、その光ファイバーは、人又は動物の体内等、例えば、内視鏡システム内の厳しい環境に適した、小さいフットプリントの統合ＳＴＥＤ顕微鏡法システムへの道を開く。
【００１２】
それゆえ、本開示の更に別の態様は、ＳＴＥＤ顕微鏡法のための内視鏡システムに関連し、説明されたばかりのＳＴＥＤ顕微鏡法システムと、体腔に進入するための遊端を有する内視鏡とを備え、励起ビーム及び抑制ビームが内視鏡の遊端から放射され、ＳＴＥＤ蛍光信号が内視鏡の上記遊端から収集されるように、光ファイバー及び合焦光学系の少なくとも一部が内視鏡に組み込まれる。
【００１３】
上記の目的、特徴及び利点並びに他の目的、特徴及び利点は、添付の図面に示されるような、本発明の特定の実施形態に関する以下の説明から明らかになり、なお、図面では、異なる図を通して、同じ参照番号は同じ部品を指している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡法システムのブロック図である。
【図２】ＳＴＥＤ原理の概略図である。
【図３】光ファイバーの屈折率プロファイルのプロット図である。
【図４】光ファイバーのコア付近の屈折率差プロファイルのプロット図である。
【図５】或る特定のモードに関する波長の関数としての実効屈折率のプロット図である。
【図６】光ファイバーの実効屈折率分離Δｎｅｆｆのプロット図である。
【図７】光ファイバーの異なる曲げ半径の場合の抑制ビームの例示的な消光比のプロット図である。
【図８】点広がり関数プロファイルのプロット図である。
【図９】点広がり関数プロファイルのプロット図である。
【図１０】ＳＴＥＤ顕微鏡法システムのブロック図である。
【図１１】渦ファイバー屈折率プロファイルのプロット図である。
【図１２】テーパーを用いて励起ビーム及び抑制ビームを生成する概略図である。
【図１３】モード変換のために長周期格子（ＬＰＧ）を利用する顕微鏡法システムの概略図である。
【図１４】モード変換のためにｑプレート（q-plate）を利用する顕微鏡法システムの概略図である。
【図１５】エアクラッディングを有するファイバーの概略図である。
【図１６】モード変換のために使用されるチャープ格子の応答特性のプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
２０１６年６月３日に出願された「Optical Fiber For A STED Microscopy System」と題する米国仮特許出願第６２／３４５，０２２号の全体が、引用することにより本明細書の一部をなす。
【００１６】
図１は、低屈折率コーティングによって画定される多モード（ＭＭ）クラッディングを備える、本明細書において開示されるような光渦ファイバー２を備える、本開示のＳＴＥＤ顕微鏡法システム１の一実施形態の概略図を示す。そのシステムは、光ファイバー２のコア領域内に基本ＬＰ０１モードにおいて励起光を発射する第１の光源３と、光ファイバー２のコア領域内に基本ＬＰ０１モードにおいて抑制光を発射する第２の光源４と、抑制光の基本ＬＰ０１モードをより高次のＬＰ１１モードに変換し、それにより、光ファイバー２のリング領域を通って伝搬する１つ以上の軌道角運動量（ＯＡＭ）モードとして形成される抑制ビームを生成するように構成されるモード変換器５と、サンプル５からＳＴＥＤ蛍光信号を生成するために、サンプル５上に励起光及び抑制ビームを合焦させ、ドーナツ形抑制ビームによって包囲されるガウシアン形励起ビームを与えるように構成される合焦光学系６とを備える。また、その顕微鏡法システムは、合焦光学系の前方にコリメーター（図示せず）を備える場合もある。図示されるＳＴＥＤ顕微鏡法システム１において、サンプルからのＳＴＥＤ蛍光信号は、ＳＴＥＤ蛍光信号がＭＭクラッディング領域を通って戻るように導光されるように、光ファイバー２のクラッディング領域によって形成される開口数によって収集される。励起光及び抑制光を光ファイバーのコア領域の中に結合し、光ファイバー２のクラッディング領域内を後方に伝搬するＳＴＥＤ蛍光信号を分離するテーパー付きファイバー結合器９が更に設けられる。サンプル５からのＳＴＥＤ蛍光信号を検出する検出器７が設けられる。
【００１７】
図２は、ＳＴＥＤ顕微鏡法の原理を示す。部分（ａ）は、ＳＴＥＤ顕微鏡によって撮像されることになるサンプルに組み込まれるような、蛍光染料分子に関するエネルギー図である。部分（ｂ）は、従来の蛍光顕微鏡法に関する点広がり関数であり、部分（ｃ）は、回折限界を超える解像度の向上を示す、ＳＴＥＤ顕微鏡法に関する点広がり関数である。
【００１８】
図２のエネルギー図部分（ａ）を参照すると、基底状態Ｓ０にある蛍光染料分子が励起ビーム（本明細書において、「励起光信号」とも呼ばれる）によって第１の励起状態Ｓ１に励起され、その後、第１の励起状態Ｓ１の基底準位まで急速に減衰する。分子が、その後、基底状態Ｓ０まで減衰するとき（例えば、２ｎｓ〜４ｎｓ以内、蛍光染料の場合の通常の寿命）、分子は、像コントラストを形成するために記録することができる蛍光光子を放出する。そのエネルギーがＳ１とＳ０との間のギャップに一致する、抑制ビーム（又は「抑制光信号」）と呼ばれる赤方にシフトしたレーザービームの存在時に、状態Ｓ１が誘導放出を通してエネルギーを失い、抑制ビームと同じ波長の光子を放出する。蛍光分子の断面に対して、抑制ビームの強度が適している場合、誘導放出の減衰速度が自然放出の減衰速度を超える可能性があるので、状態Ｓ１にある大部分の分子は蛍光を生成するのではなく、誘導放出光子を生成する。また、抑制ビームは、固有のエネルギー不一致に起因して、分子を上位の励起状態に再励起しない。
【００１９】
したがって、図２に示されるように、顕微鏡法システム内の照明光は、２つの別々のビーム又は光信号、すなわち、（１）ガウシアン形励起ビーム、及び（２）励起ビームを包囲する、「ＳＴＥＤビーム」とも呼ばれる、リング形（又はドーナツ形）抑制ビームからなる空間的複合パターンを有する。この構成を使用するとき、ドーナツ形領域内に存在する蛍光染料分子が誘導放出を通して消光され、励起ビームの中央エリア内の蛍光のみが記録される。このビームパターンをサンプルにわたって走査し、その高解像度像を得ることができる。
【００２０】
図３は、ファイバー２の半径全体（１μｍ〜１００μｍ）にわたる屈折率プロファイルを示し、そのファイバーは、一次コーティング領域を包囲する標準的な二次（ポリマー）コーティング領域を含むことが好ましく、第２のコーティング領域は、rｐｒｉｍａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇに等しい内側半径、及びｒｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇに等しい外側半径と、ｎｃｌａｄｄｉｎｇより大きい屈折率ｎｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇとを有し、ただし、Δｎｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｌａｄｄｉｎｇ＝ｎｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。一実施形態において、一次コーティング層はΔｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇ＝−０．０７５を有し、６２．５ミクロンのファイバー半径において開始し、２７．５ミクロンの幅を有し、クラッディング領域の開口数は０．４６であり、一次コーティングを包囲する二次コーティングは標準的なファイバーコーティングである。
【００２１】
図４は、ファイバー２のコア領域（０μｍ〜５μｍ）の屈折率プロファイルを示す。一実施形態において、光ファイバーは、コア半径ｒｃｏｒｅ及び屈折率ｎｃｏｒｅを有するコア領域Ｃと、外側クラッディング半径ｒｃｌａｄｄｉｎｇ及び屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有する外側クラッディング領域とを含み、Δｎｃｏｒｅ＝ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇであり、コア領域の第１の部分のΔｎｃｏｒｅは０より大きい。コア領域を包囲するトレンチ領域Ｔを設けることができ、トレンチ領域は、ｒｃｏｒｅに等しい内側半径及び外側半径ｒｔｒｅｎｃｈと、ｎｃｏｒｅより小さい屈折率ｎｔｒｅｎｃｈとを有し、Δｎｔｒｅｎｃｈ＝ｎｔｒｅｎｃｈ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。好ましくはトレンチ領域を包囲する、リング領域Ｒを設けることができ、リング領域は、ｒｔｒｅｎｃｈに等しい内側半径及び外側半径ｒｒｉｎｇと、ｎｃｌａｄｄｉｎｇより大きい屈折率ｎｒｉｎｇとを有し、Δｎｒｉｎｇ＝ｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。それゆえ、他のファイバー領域のための実効屈折率Δｎを求める際に、クラッディング屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇが基準値として使用される。
【００２２】
ｒｃｏｒｅ、ｒｒｉｎｇ、ｒｔｒｅｎｃｈ、ｒｃｌａｄｄｉｎｇ、Δｎｃｏｒｅ、Δｎｔｒｅｎｃｈ及びΔｎｒｉｎｇのうちのいくつか又は全ての値は、光ファイバーが、光ファイバーを通って伝搬する第１の光の基本ＬＰ０１モードのモード強度プロファイルのピーク振幅値に非常に近い急峻な屈折率と、光ファイバーを通って伝搬する第２の光のより高次のＬＰ１１モードのモード強度プロファイルのピーク振幅値に非常に近い急峻な屈折率とを含む屈折率プロファイルを有するように選択されることが好ましい。より高次のＬＰ１１モードは、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１モード及び混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）モードを含む、モードの線形結合を含み、それにより、混合モードへの結合を最小限に抑えながら第２の光を少なくとも１つの円筒偏光モードに結合できるようにするか、又は円筒偏光モードへの結合を最小限に抑えながら第２の光を混合モードに結合できるようにするために、円筒偏光モードのうちの少なくとも１つが、混合モードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有することが好ましい。
【００２３】
一実施形態において、コア領域付近の屈折率差プロファイルは、Δｎｃｏｒｅ＝０．０１６、ｒｃｏｒｅ＝０．８ミクロン、Δｎｔｒｅｎｃｈ＝−０．００７、ｒｔｒｅｎｃｈ＝１．３ミクロン、Δｎｒｉｎｇ＝０．０２６、ｒｒｉｎｇ＝１．９ミクロンを含むことができる。
【００２４】
ファイバープロファイルを設計するとき、ＬＰ１１モードの実効屈折率分離Δｎｅｆｆが最も重要であり、コア、トレンチ及びリングの屈折率及び幅によって主に決定され、ファイバー設計に関して非常に大きいパラメーター空間を与える。リングの屈折率が増加すると、大きいΔｎｅｆｆが与えられ、結果として、ＯＡＭモードが強く閉じ込められることに留意することができる。しかしながら、リング屈折率が増加すると、強く閉じ込められることに起因して、コア内の基本モードが、よりリング状になる（すなわち、より非ガウシアンになる）。大きいΔｎｅｆｆを有することと、ガウシアン状基本モードを有することとの間にトレードオフがある。コアの屈折率を増加させると結果として、よりガウシアン状の基本モードが生成されるが、実効屈折率分離Δｎｅｆｆも減少する。よりガウシアン状の基本モードは、コアの半径を変更することによって調整することもできる。高いΔｎｅｆｆ及びガウシアン状基本モードのための設計を最適化するとき、トレンチの屈折率を固定することができる。最後に、トレンチパラメーターは他のパラメーターと比べてΔｎｅｆｆに及ぼす影響がはるかに小さいので、より高次のモードのカットオフ波長を制御するために、トレンチパラメーターを調整することができる。ベクトルモードソルバーを用いて、異なるファイバー設計を数値的にシミュレートすることができる。
【００２５】
それゆえ、ファイバー屈折率プロファイルのΔｎｃｏｒｅは、少なくとも５×１０−３、又は少なくとも１０×１０−３、好ましくは、少なくとも１５×１０−３とすることができる。コア領域の半径ｒｃｏｒｅは、主に可視波長範囲内で単一モード動作を提供するために、１ミクロン未満であることが好ましい。
【００２６】
トレンチは、コア及びリング内をそれぞれ伝搬する光を分離するために、コア領域とリングとの間に屈折率差を与える。トレンチの屈折率は、クラッディングの屈折率に近くすることができる。しかしながら、コア領域及びリング領域のステップ屈折率プロファイルの高さを更に高くするために、Δｎｔｒｅｎｃｈは、０未満、又は−２×１０−３未満、好ましくは、−５×１０−３未満である。トレンチ領域の幅は、主に、コア領域及びリング上の伝搬狭窄部（propagation constrictions）によって決定される。トレンチの幅は１ミクロン未満とすることができる。トレンチの屈折率及び幅の選択を用いて、ＬＰ１１モードのカットオフ波長を微調整することができる。
【００２７】
リング領域を包囲する第２の外側トレンチを設けることができる。第２のトレンチはダウンドープすることもできる。第２のトレンチは、内側トレンチに実質的に対応する幅及びΔｎを有することができる。
【００２８】
図５は、異なるモードに関する波長の関数としてのｎｅｆｆを示し、第１のより高次のモード（ＨＯＭ）群の場合の９３０ｎｍのカットオフ波長を示す。
【００２９】
図６は、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１固有モード及び混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）固有モードの場合の実効屈折率差Δｎｅｆｆを示す。リング設計は、偏光保持ファイバー（ＰＭＦ）を提供することができ、偏光保持ファイバーは、円筒偏光ＴＭ０１及びＴＥ０１固有モードの伝搬定数と、混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）固有モードの伝搬定数との間の差を大きく広げる。その光ファイバーは、厳密に円筒対称である場合であっても偏光保持である。伝搬定数が著しく異なる場合、高いモード純度で固有モードのいずれかに結合することができる。それゆえ、好ましくは可視スペクトル範囲にわたって、少なくとも１０−４の、少なくとも１つの円筒偏光モードと混合モード（逆も同様）との間の実効屈折率分離を与えるために、リング領域の幅及びｎｒｉｎｇが選択されることが好ましい。この分離度が図６に示される。
【００３０】
リング領域がスカラーＬＰ１１モードのモード強度プロファイルの振幅ピークの非常に近くに位置するように、光ファイバーが設計される。リング実効屈折率Δｎｒｉｎｇは、ＬＰ１１固有モードの伝搬定数の所望の分離を生じさせるほど十分に高い値を有するべきである。Δｎｒｉｎｇは、Δｎｃｏｒｅより大きくなるように選択することができる。好ましくは、Δｎｒｉｎｇは少なくとも１５×１０−３、又は少なくとも２０×１０−３、最も好ましくは少なくとも２５×１０−３である。リングの半径ｒｒｉｎｇは、４ミクロン未満、又は３ミクロン未満、又は２ミクロン未満とすることができ、すなわち、リング領域は、１ミクロン未満とすることができる。
【００３１】
ファイバークラッディング及びコーティング
本開示の光ファイバーは、修正化学気相成長（ＭＣＶＤ：modified chemical vapor deposition）技法又は他の適切な技法を用いて、ＳｉＯ２又は他の適切な材料から製造することができる。リング領域及びコア領域は、適切な屈折率上昇ドーパント、又はＧｅＯ２等のドーパントの混合物等をドープすることによって形成することができる。トレンチ領域の負の屈折率は、フッ素を使用することによって達成することができる。クラッディングとして、通常の非ドープＳｉＯ２を選択することができる。本明細書において開示されるような光ファイバーは、１２５ミクロンの標準的な外径を有するように設計することができ、それにより、取り扱うのを、そして標準的な光ファイバーに接合するのを容易にすることができる。
【００３２】
上記で説明されたように、その光ファイバーは、クラッディング領域を包囲する一次コーティング領域を更に備え、一次コーティング領域は、ｒｃｌａｄｄｉｎｇに等しい内側半径と、ｒｐｒｉｍａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇに等しい外側半径とを有する。屈折率ｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｌａｄｄｉｎｇはｎｃｌａｄｄｉｎｇ未満であることが好ましく、Δｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｌａｄｄｉｎｇ＝ｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。クラッディング領域の幅は、少なくとも３０ミクロン、又は少なくとも５０ミクロンとすることができる。一次コーティング領域の幅は、少なくとも１０ミクロン、又は少なくとも２０ミクロンとすることができる。そして、Δｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇは、−３０×１０−３未満、又は−４０×１０−３未満、又は−５０×１０−３未満、好ましくは−６０×１０−３未満になるように選択することができる。
【００３３】
それゆえ、クラッディング領域及び一次コーティング領域の屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇ及びｎｐｒｉｍａｒｙ ｃｏａｔｉｎｇ並びに幅は、クラッディング領域の開口数が０．４０より大きいか、又は０．４３より大きいか、好ましくは０．４６以上であるように選択することができる。それにより、ＳＴＥＤ蛍光信号が光ファイバーの多モードクラッディング領域を通って戻るように導光できるように光ファイバーのクラッディング領域によって形成される開口数によって、ＳＴＥＤ蛍光信号を収集することができる。それゆえ、本明細書において開示されるような低屈折率クラッディングを有することは、ＳＴＥＤ顕微鏡法システムをよりコンパクトにできるようにするのを助長する。ＳＴＥＤ蛍光信号を、クラッディングを通って戻るように導光することによって、合焦光学系の近くに配置されるビームスプリッター及び検出器を回避することができる。代わりに、合焦光学系の背後の遠方に検出器を配置することができる。
【００３４】
モード変換
基本ＬＰ０１モードにおいて光ファイバーのコア内に抑制ビームを発射することができる。その際、ＬＰ０１をより高次のＬＰ１１モードに変換するために、モード変換器が必要である。これは、１つのモード変換器によって与えることができる。モード変換は外部のマイクロベンド格子によって与えることができ、それも本開示のファイバー構造とともに使用することができる。しかしながら、耐久性が高く、よりコンパクトな解決策は、基本ＬＰ０１入力モードとより高次のＬＰ１１モードとの間の第２の光のモード変換を与えるためにコア内に刻み込まれるＵＶ長周期格子である。本開示の光ファイバーのコアの高屈折率が、Ｇｅドーピングによって与えられるとき、コアのＵＶ感光性が高められるので、ＵＶ  ＬＰＧが更に好ましいと考えられる。４０ｍｍ未満の長さを有するＵＶ  ＬＰＧの場合に、９５％より大きく、更には９９．７％より大きい変換効率を与える極めて高い純度でモード変換を達成することができ、挿入損失は０．１ｄＢ未満とすることができる。本明細書において説明される例において、９９．７％より大きい変換効率を達成するために、ファイバーの中に３１ｍｍ長の傾斜したＵＶ長周期格子が刻み込まれた。
【００３５】
使用することができる他のタイプの適切なモード変換器は、音響光学的生成ファイバー格子、ｑプレート、空間光変調器（ＳＬＭ）及びメタ表面である。
【００３６】
照明、撮像及び顕微鏡法システム
誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）を用いる超解像顕微鏡法は、励起の中心から離れて位置するフルオロフォアからの蛍光放射を抑圧する第２のドーナツ形光ビームを用いて、励起ビームの実効的な点広がり関数を変更することによって、回折限界未満のフィーチャーを生成する。蛍光の抑圧は、励起状態フルオロフォアが基底状態と励起状態との間のエネルギー差に一致する光子と遭遇するときに生じる誘導放出を通して達成される。光子と励起されたフルオロフォアとが相互作用すると、自然蛍光放射が生じることが可能になる前に、誘導放出を通して、分子が基底状態に戻される。このようにして、そのプロセスは、蛍光を放射することができる励起されたフルオロフォアの焦点付近の選択された領域を実効的に抑制する。
【００３７】
従来の共焦点顕微鏡では、ＮＡの開口数を有するレンズを通って伝搬する波長λのビームの焦点（ｄ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、ｄ〜λ／（２ＮＡ）と近似される。現時点で利用可能な最も高い開口数を使用するとき、これは結果として、可視光の場合に、横方向（ｘ、ｙ）において約２００ｎｍ〜３００ｎｍに、軸方向（ｚ）において約５００ｎｍ〜７００ｎｍになる。これは、点広がり関数（ＰＳＦ）によって規定されるような、回折限界解像度である。
【００３８】
ドーナツ形ガウス−ラゲール抑制ビームを用いるＳＴＥＤ顕微鏡法システムの空間解像度は、式ｄ〜λ（２ＮＡ（ｌ＋Ｉ／ＩＳ）１／２）によって与えられる。この式において、ＩはＳＴＥＤビームの最大強度であり、Ｉｓは染料の飽和強度特性である。回折限界はｌ＝０の場合に得られることは明らかである。回折限界を克服することは、Ｉを無限大に接近させることによって得られる。上記で説明されたような基本的なＳＴＥＤは、軸方向解像度を改善しない。しかしながら、ＳＴＥＤ顕微鏡法では、ＰＳＦのＦＷＨＭを容易に約５０ｎｍにすることができ、すなわち、共焦点顕微鏡法の約４分の１〜５分の１にすることができる。
【００３９】
上記で示されたように、点広がり関数（ＰＳＦ）は、ＳＴＥＤ顕微鏡法システムの性能を規定する重要なパラメーターである。ＰＳＦを定義する１つの方法は、それぞれドーナツの中心における強度とピーク強度との間の比と定義される消光比を用いることである。抑制ビームは通常、適切なＳＴＥＤ撮像の場合に約−１３ｄＢの消光比を必要とする。本明細書において開示されるような、ファイバーに基づくＳＴＥＤ照明の大きな利点は、−１９ｄＢまで、更には−２０．５ｄＢまで低い、それゆえ、要求される値よりはるかに良好な中心強度消光比を与えることである。
【００４０】
光ファイバーに基づく、ＳＴＥＤ顕微鏡法システム、詳細には内視鏡システムにおいて、ＳＴＥＤ顕微鏡法の性能を変更することなく、それゆえ、ＰＳＦを変更することなく、ファイバーを曲げることが可能であることが極めて重要である。本開示のＳＴＥＤ照明システムによれば、図７を参照しながら以下に説明されるように、曲げへの耐性が非常に高いＰＳＦが与えられる。
【００４１】
本明細書において開示されるＳＴＥＤ顕微鏡法システムの性能を最適化するために、ＳＴＥＤ顕微鏡法システムのいくつかの技術的特徴が存在し得る。例えば、含まれるＯＡＭモード（複数の場合もある）の量を制御するために、１つ以上の偏光コントローラーを設けることができる。本開示のＳＴＥＤ照明／顕微鏡法システムは、合焦光学系の前方にコリメーターを更に備えることができる。合焦させることは、ガウシアン形励起ビーム及びドーナツ形抑制ビームをコリメートするステップ後に実行することができる。合焦させるステップは、勾配屈折率（ＧＲＩＮ）対物レンズを使用することによって更に実行することができる。これは、内視鏡システム内への実装を容易にするのを助けることができる。励起光及び抑制光を本開示のＳＴＥＤ光ファイバーのコア領域の中に結合するために、標準的なファイバー結合器を使用することができる。同様に、光ファイバーのクラッディング領域内を後方に伝搬するＳＴＥＤ蛍光信号を分離し、ＳＴＥＤ蛍光信号を別のＭＭ光ファイバーの中に結合するために、テーパー付きファイバー結合器等のファイバー結合器を使用することができる。
【００４２】
図７は、渦ファイバーの１３ｃｍから０．３ｃｍまでの異なる曲げ半径の場合のモード純度を示す。ＯＡＭモードは一番上にあり、丸で表され、ＴＥ０１及びＴＭ０１モードは三角で表され、基本モードの残りＨＥ１１は正方形で表される。左側ｉ）及び右側ｉｉｉ）の差込図はそれぞれ、ルーラーを伴うコイル状の渦ファイバーの写真、及び標準的な
【数１】
2019519005.tif 000003
インチ光学ポストの写真を示し（上側）、円偏光投影
【数２】
2019519005.tif 000004
及び
【数３】
2019519005.tif 000005
を伴う対応するＯＡＭモード像（下側）を示す。中央の差込図（ｉｉｉ）はＵＶ格子の透過スペクトルを示し、９９．７％のモード変換効率を明らかにする。
【００４３】
４分の１波長板及び偏光ビームディスプレーサーを用いてファイバーの出力を２つの円偏光
【数４】
2019519005.tif 000006
及び
【数５】
2019519005.tif 000007
に投影し、方位角強度プロファイルに関する空間フーリエ解析を実行してモード純度を得ることによって、空間干渉法（「リング技法」）を用いて、モード純度を解析する。上記で説明されたように、図７の差込図（ｉ）及び（ｉｉｉ）はそれぞれ、コイル状の渦ファイバーの写真（上側）及び対応する近接場モード像（下側）を示す。曲線から明らかであるように、６ｍｍまでの曲げ半径の場合、ＯＡＭモードは１９ｄＢ（９８．７％）を超えて純粋なままである。６ｍｍ（半径）より急峻な曲げは、著しい曲げ損失を誘発しているが、いずれにせよ、この曲げは、通常の顕微鏡又は内視鏡に関する曲げ仕様よりはるかに急である。
【００４４】
図８及び図９は、（ａ）６．５ｃｍ（１０ループ）及び（ｂ）０．６ｃｍ（１０ループ）の曲げ半径の場合の例１の渦ファイバーに関する点広がり関数プロファイルを示す。線形スケールにおける励起ビーム及びＳＴＥＤビームのラインカットプロファイル（上側）が、ＰＳＦ像の外側面内に表される破線に沿っている。その結果は、シミュレーション（青色の破線）と一致する。また、消光比を明らかにするために、ＳＴＥＤビームプロファイルもｄＢスケールにおいてプロットされる（下側）。スケールバー：５００ｎｍ。
【００４５】
６．５ｃｍ及び６ｍｍの曲げ半径の場合に、金ビード（１５０ｎｍ金ナノ粒子）のサンプルを走査し、散乱光を検出することによって、それぞれ励起ビーム及びＳＴＥＤビームに関するＰＳＦが測定される。２つのＰＳＦは両方向において空間的に十分に位置合わせされる。励起ＰＳＦの半値全幅は約３８２ｎｍであり、ドーナツの暗い中心の半値全幅は約２３５ｎｍである。これらの値は、青色の破線で示される理論推定値と比べて遜色がなく、最新の自由空間システムと同様の測定結果を表す。中心の強度とピーク強度との間の比として定義される消光比を測定すると、それぞれ−１７．６ｄＢ及び−２０．５ｄＢであり、それは、実際のＳＴＥＤ適用例の場合に引き合いに出される−１３ｄＢの望ましい値と比べて勝るとも劣らない。
【００４６】
図１０は、本開示による、ＳＴＥＤ顕微鏡法システムの例示的な実施形態のシステム概略図を示す。励起ビーム（λ＝６３２．８ｎｍ、ＨｅＮｅレーザー）及びＳＴＥＤ／抑制ビーム（λ＝７７６．３４ｎｍ、Ｔｉ：サファイアレーザー）が、波長分割マルチプレクサー（ＷＤＭ）の形をとるファイバー結合器を用いて、インラインファイバー偏光コントローラー（ｐｏｌｃｏｎ）を備える単一モードファイバー（ＳＭＦ）の中に合成される。ＳＭＦは、ＯＡＭモードを生成するために３１ｍｍ長の傾斜したＵＶ−ＬＰＧが刻み込まれる本開示の渦ファイバーの一実施形態に接合される。第１の偏光コントローラーＰＣ１を用いて、サンプルに入射する抑制ビームがドーナツ形になるように、ＬＰＧによって生成されたＯＡＭモードが角運動量を搬送するのを確実にするのを助ける円偏光抑制光を生成することができる。合成損失（接合及び格子による）は０．８ｄＢ程度と低く、接合を最適化することによって、更に改善できる可能性がある。格子に続いて、第２のファイバー偏光コントローラー（ＰＣ２）を用いて、含まれるスピン軌道整列ＯＡＭモード（Ｌ＝＋１及びＬ＝−１）の量を制御し、いずれのモードも、高ＮＡ合焦条件下で暗い中心を生成し、それゆえ、ＳＴＥＤに適している。コイル状の渦ファイバーの約５．１ｍ後に、ベアファイバーアダプターを用いて、出力ピグテールがクランプされる。ビーム出力は、対物レンズ（１０×）を用いてコリメートされ、高ＮＡ対物レンズ（６０×／１．３５）によってサンプル面上に合焦する。ここで使用される渦ファイバーは標準的なコーティング層を設けられ、結果として、ＳＴＥＤ信号を、クラッディングを通って戻るように導光することはできない。それゆえ、ＳＴＥＤ蛍光信号を標準的な多モードファイバー（ＭＭＦ）の中に、そして光検出器（ＡＰＤ）の中に結合するために、ビームスプリッター（ＢＳ）が設けられる。ビームは、４分の１波長板（λ／４）、偏光ビームディスプレーサー（ＰＢＤ）及びカメラを用いて撮像される。
【００４７】
図１１は、大部分のＳＴＥＤ蛍光染料が利用される可視波長範囲内で機能する渦ファイバーを使用するオールファイバーＳＴＥＤ顕微鏡の場合の好ましい設計パラメーター空間を示す。以下の基準を用いて、新たな渦設計を評価することができる。
−可視波長範囲、すなわち、４００ｎｍ〜７００ｎｍ内のＬＰ１１モード群間の、好ましくは１×１０−４より高い改善されたΔｎｅｆｆ。
−ガウシアン状基本モード、すなわち、理想的なガウシアンビームとのモード場重複が９０％より大きい。
−ＬＰ１１モード群に適した（ＳＴＥＤ波長から２００ｎｍ超離間する）、そして次に高次のモード（例えば、ＥＨ１１及びＨＥ３１；ＳＴＥＤ波長から５０ｎｍ未満だけ離間する）に適したカットオフ波長。
−効率的なモード変換のためのファイバー格子ピッチは、ＵＶ若しくはマイクロベンド誘発、又は音響光学的生成格子によって達成可能にすべきである。
【００４８】
これらの基準の中でも、Δｎｅｆｆが最も重要である。ベクトル波動方程式によれば、ＬＰ１１モード群間の分離は、図１に示されるパラメーター、すなわち、Δｎ１、Δｎ２、Δｎ３、ｄ１及びｄ２と、第２のダウンドープトレンチの出現とによって主に決定される。ファイバー設計は、莫大なパラメーター空間を有する。これらのパラメーターとファイバー特性との間の機能的関係は複雑であり、パラメーターは大抵の場合に１つ以上のファイバー特性に結び付けられる。例えば、
−大きいΔｎｅｆｆを有するために、最初に、リングの屈折率Δｎ３を増加させる。高い（リング）屈折率の結果として、ＯＡＭモードがより強く閉じ込められる。予想どおり、リング屈折率を増加させると、より強く閉じ込められるので、必然的に基本モードがよりリング状になる。大きいΔｎｅｆｆを有することと、ガウシアン状ＨＥ１１モードを得ることとの間にトレードオフがある。
−Δｎ１が増加した結果として、ガウシアン状基本モードが良好になるが、実効屈折率差Δｎｅｆｆも減少する。
−Δｎ３が上がり、Δｎ２が下がるほど、Δｎｅｆｆは増加するが、基本モードがリング形に変化する。上記で説明された最初の２つの目的を果たすためにパラメーターを探索するときに、フッ素ダウンドープ領域の屈折率（Δｎ２）を意図的に固定し、その屈折率を、より高次のモードのカットオフ波長を制御するための調整パラメーターとして（ときには、コア屈折率Δｎ１の微調整とともに）残す。なぜなら、その屈折率は、他のパラメーターに比べて、Δｎｅｆｆに及ぼす影響がはるかに小さいためである。
−Δｎ１〜Δｎ３が変更されるとき、より良好なガウシアン形基本モードを得るために、コア半径ｄ１が調整される必要がある。
−Δｎ３が変更されるとき、より大きいΔｎｅｆｆを得るために、それに応じてｄ２を減少させなければならない。
【００４９】
図１２は、ファイバー出力のサイズを変更する、例えば、テーパーを付けることによって、励起波長におけるＨＥ１；１モードを再整形できることを示す。このプロセスは、電動並進ステージ上にファイバーを取り付けることと、可動電気アークアセンブリによって、ファイバーを或る程度まで加熱及び溶融することとを伴う。２つのステージ及びアークアセンブリの速度プロファイル、並びに電気アークの電力を注意深く制御することによって、１０ｍｍの２つの移行領域と、１０ｍｍのくびれとからなる断熱ファイバーテーパーを作り出すことができる。抑制／ＳＴＥＤ波長におけるＯＡＭモードが依然として十分に導光され、Δｎｅｆｆが過度に減少しないようにしながら、励起波長におけるＨＥ１；１モードがガウシアン状になるように選択される、より小さいＯＤを有する出力を作り出すために、くびれが中央において切断される。図１２は、ＯＤ５０μｍのテーパーの概略図と、５０μｍのＯＤ（テーパー）と、８０μｍのＯＤ（非テーパー）とを備えるファイバー出力からの２つの基本モードのシミュレートされた強度プロファイルとを示す。上側の２つのＳＴＥＤビーム像は、７５０ｎｍのＳＴＥＤ波長におけるＯＡＭモードが出力テーパーによって歪まないことも示し、それは、このビームのＰＳＦの特性を明らかにすることによって確認することができる。
【００５０】
図１３は、渦ファイバーの前方に配置される、モード変換要素として長周期格子（ＬＰＧ）を使用することを示す。この構成は、所望のモード変換を達成するために、別の場所（例えば、図１、図１０、図１４）において説明された顕微鏡法構成に適用することができる。
【００５１】
図１４は、渦ファイバーにおいて、λＳＴＥＤ＝６３２．８ｎｍにおいてＯＡＭモードを励起し、λｅｘｃ＝５３２ｎｍにおいて本質的に共に位置合わせされるガウシアン状基本モードを同時に励起するために、ｑ＝１／２プレートを利用する構成を示す。ＣＷ  ＨｅＮｅ（λ＝６３２．８ｎｍ）及びＶｅｒｄｉ（λ＝５３２ｎｍ）からのレーザービームがインラインファイバーＰｏｌＣｏｎを備えるＳＭＦの中に合成される。合成されたビームはコリメートされ、ｑ＝１／２プレート及び色消し半波長板を通り抜ける。直列のこれらのデバイスは、関数発生器（図示せず）によって与えられるｑプレートのＡＣ電圧バイアスによって決定される制御可能な効率で、ガウシアンビームをＯＡＭビームに変換する。結果として生成されるビームは、その後、渦ファイバーの中に自由空間結合され、渦ファイバーにおいて、ＯＡＭモード及びガウシアン状基本モードが安定して共に伝搬する。ファイバー出力は、ＣＭＯＳカメラを用いて、近接場撮像される。
【００５２】
この例において、１．６１１Ｖ（ｆ＝２ｋＨｚ）のＡＣバイアスによって、ｑプレートが、５３２ｎｍにおける励起ビームを変換しないまま、６３２．８ｎｍにおいて抑制ビームをドーナツに完全に変換する。ファイバー内で約３ｍ伝搬した後に、ＯＡＭモード純度は−１５ｄＢより良好である。
【００５３】
図１５は、エアクラッディングを備える渦ファイバー構造の概略図である。予備調査の結果に基づいて、背景光はクラッディング導光領域から、そして場合によってはドーパント及びポリマー被覆から主に到来していると推測され、それゆえ、それに対処できる新たな設計は、本渦ファイバーのシリカクラッディングと、いくつかの特殊ファイバーにおいて使用されてきた、空孔からなる、いわゆる、エアクラッディングの追加層とによって形成される、内側クラッディング導波路構造を導入することができる。これは、励起光及び後方伝搬蛍光を全ガラス製のクラッディングの中に十分に閉じ込めることができ、それゆえ、ドーパント及びポリマー被覆から背景光を著しく低減することができる。
【００５４】
図１６は、広い帯域幅にわたって高い変換効率を達成するためにチャープ格子を使用することを示す。
【００５５】
特定の代替形態
上記で説明された具体的な要素及び特徴に加えて、以下は、利用される場合がある具体的な代替形態である。
１．ファイバー自体が所望のモード形状を有しない場合であっても、ガウシアン励起ビーム及びドーナツ形ＯＡＭビームを達成するためにモードを再整形するように、ファイバーの出力端においてテーパーを組み込むファイバー設計。
２．２光子励起。ＬＰ０１モードは、より長い波長にあり、例えば、励起波長の２倍であり、それゆえ、リング形であるモードの場合ほど問題ではないので、１つの光子励起波長においてＬＰ０１モードの再整形を必要とすることなく、適切なガウシアン形励起パターンを達成するために、２光子励起を検討することができる。
３．励起のためだけに、並びに励起及び信号を収集／検出するためにファイバーを使用することができる。
４．ベクトルモードのためのモード分離が依然として上記のままであるが、ＬＰ０１モードもリング形モードであるリングコア専用ファイバー設計。高ＮＡ合焦が、均一に偏光したＬＰ０１モードをサンプル／焦点面におけるベッセルビームに変換することになり、それは、励起ビームの必要とされる高い強度中心スポットを有する。
【００５６】
上記の開示は、ＳＴＥＤ顕微鏡法における適用例を主に参照しながら説明を与えるが、開示される技法が、ＳＴＥＤ、光シート顕微鏡法、多光子顕微鏡法、ポンププローブ顕微鏡法又は他の光操作技法を含む、多種多様の撮像システムにおいて利用できることは当業者には理解されよう。
【００５７】
本発明の種々の実施形態が特に図示及び説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部に関して種々の変更を加えることができることは当業者には理解されよう。
【図１】
2019519005.tif 000008
【図２】
2019519005.tif 000009
【図３】
2019519005.tif 000010
【図４】
2019519005.tif 000011
【図５】
2019519005.tif 000012
【図６】
2019519005.tif 000013
【図７】
2019519005.tif 000014
【図８】
2019519005.tif 000015
【図９】
2019519005.tif 000016
【図１０】
2019519005.tif 000017
【図１１】
2019519005.tif 000018
【図１２】
2019519005.tif 000019
【図１３】
2019519005.tif 000020
【図１４】
2019519005.tif 000021
【図１５】
2019519005.tif 000022
【図１６】
2019519005.tif 000023
【国際調査報告】
2019519005.tif 000024
2019519005.tif 000025
2019519005.tif 000026